DEFINITION, STRUCTURE, PRINCIPE ET THEORIE SUR LE BELIER HYDRAULIQUE

-Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

Description de différentes phases de l’onde vibratoire :

Première phase :

Une surpression notée H prend naissance derrière la vanne de fermeture, c’est-à-dire dans la couche liquide inférieure qui se trouve comprimée par le reste du liquide qui, du fait de son inertie, continue à se mouvoir. Cette surpression H en se déplaçant vers l’amont forme une onde appelée : « onde de choc » qui se propage le long de la conduite avec la vitesse du son . Cette onde de choc arrive au point de la surface libre du liquide après une durée égal à et dans tout le liquide entre la vanne et la surface libre règne la surpression H.

Deuxième phase :

Arrivée à la surface libre, l’onde crée une réaction en ce lieu qui entraine une dépression – H. Cette dépression donne naissance à ce qu’on appelle « onde négative » qui en se propageant s’annulera avec la H créée précédemment. Elle arrivera près de la vanne avec la vitesse au bout d’un temps :

Troisième phase :

L’onde négative sans changée de signe sera réfléchie et rejoindra la surface libre Après un temps : en établissant partout une dépression égale à – H

Quatrième phase :

la surface libre, la dépression provoque encore une réaction et une surpression apparaît, elle revient vers la vanne en remettant encore une fois l’eau dans son état primitif, avec un temps : .
La période complète dure donc T ,et l’oscillation continue identiquement.
Pour un fluide parfait, cette onde de pression devrait subsister indéfiniment et sans déformation ; mais en fait, les frottements internes et contre les parois de l’eau interviennent et provoquent de façon notable une déformation et un amortissement de l’onde.

Conséquences du temps de fermeture sur le phénomène :

Comme il a été souligné précédemment, les deux fonctions Fet G dans les équations d’ALLIEVI dépendent du mode de fermeture de la vanne, plus exactement de la durée de fermeture de celle-ci. Ainsi, nous allons étudier l’influence de cette durée sur le « coup de bélier »

Fermeture brusque :

Il y a fermeture brusque lorsque celle-ci se termine avant que ne puissent se manifester les interactions des ondes réfléchies, c’et-à-dire, le temps de fermeture notée tf dit être inférieur à la durée qui est le temps mis par l’onde pour aller de la vanne à l’entrée de la canalisation et retour. Soit pr la surpression juste avant la vanne. Pour une fermeture brusque, celle-ci pourra être calculée en formulant que l’énergie cinétique du fluide en mouvement est absorbée par la compression de la colonne de fluide et par l’énergie de déformation élastique du tuyau.
Ce phénomène se produit particulièrement dans les installations hydroélectriques, plus exactement dans les ouvrages d’amenée d’eau qui conduisent le fluide accumulé jusqu’aux turbines situées en contre-bas. A l’intérieur de ces conduites forcées règne une pression notable, croissante de l’amont à l’aval. Lors d’un arrêt brusque du courant d’eau, la masse doit perdre son énergie cinétique qui est souvent importante, quelquefois très élevée. En effet, cette force d’inertie est proportionnelle à la masse d’eau en mouvement ; la disparition d’énergie entrainera alors un choc important qui pourra causer une rupture de la vanne, voire même éclatement de la conduite.
Par ailleurs, dans une station de pompage, l’arrêt brusque de la motopompe peut créer du « coup de bélier ». En effet, par suite d’un manque d’eau, la pression à l’origine dans la tuyauterie de refoulement tombe. La colonne d’eau en mouvement dans ce tuyau change de direction et revient vers la pompe avec une vitesse élevée. Ce qui peut provoquer une panne totale de l’équipement de la station de pompage si le système est dépourvu d’un dispositif qui ne laisse pas passer le fluide vers la pompe, parfois des ruptures des tuyaux.
Le « coup de bélier » est un phénomène très complexe dont les remèdes ou les dispositifs à installer afin de l’éviter ne sont pas prêts d’être élucidés.
En tout état de cause, nous indiquons quelques idées d’amortissement de ses effets dans le but de protéger les ouvrages par des dispositifs de protection appelés « Anti-bélier ».
Les cheminées d’équilibre qui sont des tubes piézométriques placés en certains points de la conduite présentent une efficacité importante comme dispositifs de protection des canalisations. Théoriquement, l’installation de ce dispositif permet de négliger la compressibilité de l’eau : dans ce cas, le « coup de bélier » se transforme en une oscillation en masse.
Comme procédés agissant sur les surpressions lors d’une pulsation de débit due par exemple, à l’arrêt du moteur ; nous pouvons faire appel aux soupapes de décharge dont le rôle est de laisser évacuer à l’extérieur le débit de retour de la canalisation correspondant à la surpression admissible, ou bien aux clapets percés.
Parmi les dispositifs « anti-béliers », l’emploi du réservoir d’air a donnée l’idée de quelques savants, entre autres les Frères MONTGOLFIER, idée à laquelle on pourrait avec ce système, non seulement amortir le « coup de bélier », mais aussi l’exploiter afin d’obtenir une énergie libre qu’on recueille lors de la détente de l’air dans la cloche qui a été comprimé auparavant durant l’entrée de l’eau par l’effet d’une surpression.
Ceci nous amène à la deuxième partie de ce travail qui est basé avec la définition, structure, principe et théorie du fonctionnement de l’appareil élévatoire d’eau qui est le Bélier Hydraulique.

DEFINITION, STRUCTURE, PRINCIPE ET THEORIE SUR LE BELIER HYDRAULIQUE

Définition du bélier hydraulique

Le bélier hydraulique est un appareil a la fois moteur et pompe capable d’élever automatiquement a~ des grandes hauteurs une partie de l’eau qu’il reçoit d’un réservoir: Ruisseau, étang, etc. …
Le bélier hydraulique utilise pour cette élévation l’énergie de l’eau mise en mouvement par une chute. La chute de l’eau peut être artificielle (eau d’un réservoir, d’un barrage…) ou naturelle (lac, étang, mare, ruisseau, marigot, rivière, fleuve).

Structure du bélier hydraulique.

Le bélier hydraulique est le plus économique de tous les moteurs existants pour élévation de l’eau. Cet appareil est d’une grande simplicité. Le bélier hydraulique est constitué de quatre parties: Le clapet de batterie, le corps de la pompe, la soupape de refoulement et la chambre à air ou réservoir pneumatique.

Le corps de la pompe

C’est une pièce en acier de forme cylindrique. Il porte le clapet de batterie et la soupape de refoulement. Le corps de la pompe reçoit l’eau provenant de la source a partir du tuyau de batterie et la transmet au clapet de batterie et la soupape de refoulement. C’est dans le corps de la pompe que se réalisent les coups de bélier. Pour cela il doit être fait en matériaux durs capables de résister aux variations des pressions.

Le clapet de batterie ou clapet d’impulsion ou Batteur

C’est un ensemble des pièces métalliques dont le rôle est de provoquer le coup de bélier par sa fermeture sous l’action de la force motrice de l’eau. La figure 2 donne les dimensions de chaque pièce ; et la figure 3 sa coupe après la construction.
1 Axe de translation soupape
2 Boulon de serrage
3 Bague de guidage supérieure
4 Pattes guide supérieure
5 Siège soupape de choc
6 Patte guide inférieure
7 Soupape de choc
8 Corps du batteur
9 Bague de guidage inférieure
10 Entretoise
11 Bague de fixation

La soupape de refoulement

Son le rôle est de permettre dans un premier temps le passage de l’eau du corps de la pompe au réservoir pneumatique pendant la phase de surpression et dans un deuxième temps d’empêcher le vidange de ce réservoir pendant la phase de sous pression dans le corps de la pompe.

Le réservoir pneumatique

Il a pour rôle de recevoir de l’eau pendant les périodes de surpression a partir de la soupape de refoulement et de la refouler dans le tuyau de refoulement pendant les périodes de dépression dans le corps de la pompe.
Le refoulement de l’eau dans le tuyau de refoulement se fait sous la pression de l’air contenu dans le réservoir pneumatique.
Dans notre cas ; nous allons mettre des ballons de tennis dans cet réservoir afin d’éviter la perte de l’air qui peut se produire pendant le fonctionnement du bélier.

Principes de fonctionnement

Le fonctionnement du bélier hydraulique se fait de la manière suivante:
L’eau motrice arrive a l’intérieure du bélier avec une vitesse croissante occasionnant la fermeture du clapet de batterie. A cet instant, le clapet de refoulement s’ouvre sous l’effet de la surpression nécessaire du coup de bélier et une partie du débit s’introduit dans le réservoir d’air. La pression intérieure dans le corps de la pompe diminue rapidement, le clapet de refoulement se ferme sous l’action de la pression d’air contenu dans le réservoir pneumatique et le poids de l’eau et le clapet de batterie s’ouvre de nouveau. L’énergie motrice de l’eau est dépensée dans la chambre à air en comprimant l’air qui s’y trouve lorsque l’eau rentre dans le réservoir pneumatique Cette soupape de refoulement se referme avec un coup qui permet:
– de refouler une partie de l’eau contenue dans la chambre à air dans la conduite de refoulement jusqu’à ce que les pressions de l’eau refoulée par la chambre à air et le poids de l’eau auquel s’ajoute la pression atmosphérique s’équilibrent; au clapet de batterie de s’ouvrir de nouveau sous l’effet de sous pression de l’eau dans le corps de la pompe;
– au cycle de recommencer.

Théorie du Bélier hydraulique

Les équations de bases du bélier hydraulique montrent qu’il faut maintenant établir, pour chacune des six phases de fonctionnement, les expressions relatives à la vitesse v(t) de l’eau dans la conduite motrice (t étant le temps écoulé depuis le début de la phase i) et à la vitesse (vi) de l’eau en fin de phase i.
Cela permettra d’en déduire le volume (voli) véhiculé pendant la phase i et la durée (ti) de la phase i.
Une synthèse sur un cycle permettra ensuite d’établir les trois caractéristiques utiles en pratique (durée du cycle, débit moyen refoulé et rendement global) puis les conditions théoriques de fonctionnement du bélier.
Nous terminons par une comparaison du calcul avec les abaques des fabricants.

Figures :

Les trois figures suivantes montrent l’influence de chaque paramètre du bélier hydraulique sur sa durée de cycle (tcycle), son débit moyen refoulé (qF) et son rendement global (Rg).
La Figure T1 montre sur deux graphiques l’influence de la longueur (L) et celle de la section (S) de la conduite motrice.
La Figure T2 montre sur deux graphiques l’influence de la hauteur de refoulement (H) et celle de la hauteur motrice (h).
La Figure T3 montre sur deux graphiques l’influence de la raideur (K) du joint de la soupape de choc et celle de la force de réaction (F0) de la soupape de choc en son début de fermeture.

Équations par phase :

Début du cycle

Le début du cycle correspond au début de fermeture de la soupape de choc A cet instant, l’ensemble des forces de pression et de quantité de mouvement qu’exerce l’eau sur la soupape est exactement compensée par une force de réaction (F0) égale au poids de la soupape (lorsqu’elle est verticale) augmenté de la poussée du ressort de tarage (s’il existe).
Compte tenu de la relation générale selon RENAULD F QV 2 , la relation entre cette force F0 et la vitesse recherchée V0 de l’eau à cet instant est la suivante: F0 QV0 2 (II.1.0)
où Q est une fonction de plusieurs paramètres, notamment fonction croissante de la section (S ») du joint de la soupape de choc et fonction décroissante de la course totale (e0) de cette soupape.

Phase 1

La phase 1 de fonctionnement correspond à l’éjection de l’eau pendant la fermeture progressive de la soupape de choc.
Calcul de v(t) et v1
En pratique il s’avère que la vitesse v1 en fin de phase 1 est assez proche (à 5 % près environ) de la vitesse v0 en début de fermeture de la soupape de choc.
Nous retenons donc le modèle simplifié suivant : V1=V0 (II.1.1)
Concernant la vitesse v(t), elle est donc également peu différente de la valeur V0.

Phase 3

La phase 3 de fonctionnement correspond au refoulement de l’eau dans la cloche à air avec fermeture de la soupape de refoulement.
 Calcul de v(t)
Comme la phase 2 précédente, la phase 3 est supposée suivre le modèle du coup de bélier dit « d’ondes » créée par la fermeture brusque de la soupape de choc en début de phase 2, l’onde de pression se propage dans la conduite motrice avec une vitesse constante (a) et vient se réfléchir alternativement d’une extrémité ouverte du tube d’eau à l’autre, entre les points A (à la surface du niveau d’eau du collecteur) et F (au-dessus de la soupape de refoulement restée ouverte, à la surface du niveau d’eau dans la cloche à air). A chaque passage de l’onde en F et en A, la vitesse v dans la conduite motrice subit une petite perte de vitesse V . La vitesse V(t) au point C de la conduite motrice est alors une fonction décroissante, en dent de scie, du temps t.
 Calcul de v3 et tr
La vitesse v3 en fin de phase 3 est très petite et peut être prise à : V3 0 (II.3.3)
Sachant qu’on a : V(tr) = V3 pour l’onde N+1, on en déduit la durée résiduelle (tr) : (II.3.4)
Remarque : La pression pF7 est alors d’autant plus petite que :
– le volume d’air de la cloche au démarrage du bélier (volairatm) est plus grand ;
– le diamètre D’est plus grand ;
– la hauteur de refoulement (H) est plus petite ;
– la longueur de refoulement (L’) est plus petite.

Synthèse pour un cycle :

Nous allons découvrir que le modèle de fonctionnement du bélier hydraulique repose essentiellement sur les paramètres suivants :
– les caractéristiques de la conduite motrice (longueur L et section S) ;
– l’altitude du bélier (hauteur motrice h et hauteur de refoulement H) ;
– les caractéristiques de la soupape de choc (coefficient de raideur K du joint et force de réaction F0 de la soupape) ;
– les dimensions du dispositif de refoulement (volume d’air volairatm de la cloche et diamètre D’ de la conduite de refoulement).

Conclusion partielle :

Les Figures 4,5,6 illustrent l’influence de chacun des six paramètres essentiels (L, S, K YS »2 , h, H, F0 QV 02 ) sur le trio de caractéristiques utile à connaître (tcycle, qF, Rg). Il faut retenir que :
– chacun de ces paramètres influe relativement peu sur le temps de cycle (tcycle), dans la mesure où l’on s’éloigne des temps de cycle extrêmes (cas : V0 = vm et cas : h = H). En pratique, selon l’installation et la taille du bélier, tcycle varie de 0,7 s à 4 s
– l’augmentation de la section (S) de la conduite motrice ou de la raideur du joint de la soupape de choc (coefficient K) donne un rendement global (Rg) et un débit moyen refoulé (qF) plus grands.
– l’augmentation de la longueur (L) de la conduite motrice donne d’abord un rendement global et un débit moyen refoulé plus grands, et dégrade ensuite ces deux caractéristiques.
– l’augmentation de la hauteur motrice (h) du bélier donne d’abord un rendement global et un débit moyen refoulé plus grands, et dégrade ensuite le rendement global.
– l’augmentation de la hauteur de refoulement (H) du bélier donne d’abord un rendement global plus grand et un débit moyen refoulé plus petit, et dégrade ensuite ces deux caractéristiques.
– l’augmentation de la force de réaction (F0) de la soupape de choc donne d’abord un rendement global et un débit moyen refoulé plus grands, et dégrade ensuite ces deux caractéristiques.
Pour avoir un fonctionnement optimal, le bélier hydraulique doit donc posséder :
Une hauteur de refoulement (H) plutôt petite Une hauteur motrice (h) plutôt grande
Une conduite motrice de section (S) la plus grande possible

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I : GENERALITES
I.1 HISTORIQUE DU BELIER HYDRAULIQUE
I.2 ETUDE THEORIQUE DU « COUP DE BELIER »
I.2.1 DEFINITION
I.2.2 CAUSE
I.2.3 ETUDE DU PHENOMENE VIBRATOIRE DANS UNE CONDUITE
I.2.3.1 Étude théorique
I.2.3.2 Description de différentes phases de l’onde vibratoire
I.2.3.3 Conséquences du temps de fermeture sur le phénomène
PARTIE II : DEFINITION, STRUCTURE, PRINCIPE ET THEORIE SUR LE BELIER HYDRAULIQUE
II.1 Définition du bélier hydraulique
II.2 Structure du bélier hydraulique.
II.2.1 Le corps de la pompe
II.2.2 Le clapet de batterie:
II.2.3 La soupape de refoulement
II.2.4 Le réservoir pneumatique
II.3 Principes de fonctionnement
II.4 Théorie du Bélier hydraulique
II.4.1 Figures
II.4.2 Équations par phase
II.4.2.1 Début du cycle
II.4.2.2 Phase 1
II.4.2.3 Phase 2
II.4.2.4 Phase 3
II.4.2.5 Phase 4
II.4.2.6 Phase 5
II.4.2.7 Phase 6
II.4.2.8 Phase 7
II.4.2.9 Phase 8
II.4.3 Synthèse pour un cycle
II.4.3.1 Durée du cycle (t cycle)
II.4.3.2 Débit moyen refoulé (qF)
II.4.3.3 Rendement global (Rg)
II.4.3.4 Débits moyens éjecté (qE) et absorbé (qB)
II.4.3.5 Puissance utile (Pu)
II.4.3.6 Conclusion partielle
II.4.4 Conditions de fonctionnement
II.4.4.1 Alimentation continue en eau
II.4.4.2 Fermeture de la soupape de choc
II.4.4.3 Ouverture de la soupape de refoulement
II.4.4.4 Fermeture de la soupape de refoulement
II.4.4.5 Ouverture de la soupape de choc
II.4.4.6 Résistance de la cloche :
II.4.5 Comparaison avec les abaques des fabricants
II.4.5.1 Diagramme des « puissances »
II.4.5.2 Diagramme des chutes
II.4.5.3 Longueur pratique L
II.4.5.4 Rapport optimal (V0 / Vm) entre vitesses
II.4.5.5 Volume d’air de la cloche (volairatm)
II.4.5.6 Pression effective (pF – patm) maximale de la cloche
PARTIE III INSTALLATION ET CONSTRUCTION DU BELIER
III.1 Installation du bélier
III.1.1 Mesure et calcul du débit du ruisseau
III.1.2 Mesure topographique sur terrain
III.1.3 Les différentes étapes et calculs sur l’installation
III.1.3.1 Canal d’Amené et Ouvrage de prise
III.1.3.2 Chambre d’aération
III.1.3.3 Tuyau de batterie
III.1.4 Calculs sur les différents paramètres de l’installation
III.1.4.1 La vitesse en régime permanent
III.1.4.2 Le débit absorbé
III.1.4.3 Le débit refoulé
III.1.4.5 La vitesse V’m dans la conduite de refoulement
III.1.4.6 Le rendement global
III.1.4.7 La vitesse de l’onde lors du coup de bélier
III.2 Choix du type et calcul sur la construction du Bélier Hydraulique
III.2.1 Selon le débit disponible
III.2.2 Selon la topographie du terrain
III.2.3 Calculs sur la construction du Bélier
III.2.3.1 La résistance de la cloche
III.2.3.2 Le volume d’air de la cloche
III.2.3.3 Le clapet de batterie
III.2.3.4 Les 2 clapets anti-retours
III.2.3.5 Le nombres de battement du clapet d’impulsion
III.2.4. Résultats lors de l’essai du fonctionnement de l’appareil
PARTIE V.1 AVANTAGES ET INCOVENIENTS – ETUDE COMPARATIVE
IV.1 Avantages et inconvénients du Bélier Hydraulique
IV. 2 Étude comparative d’une installation d’un Bélier Hydraulique avec celle d’une motopompe
IV.2.1 Installation du motopompe
IV.2.2 Installation d’un Bélier Hydraulique
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIES
ANNEXES
Annexe 1
Annexe 2
Annexe 3
Annexe 4

Télécharger le rapport complet